一、工业流程题的结构
工业流程题的题头一般简单介绍该工业生产的原材料和工业生产的目的(包括附产品),题干部分主要用框图形式表示从原料到产品的主要生产工业流程,题尾则是根据生产过程中涉及到的化学知识设计成系列问题,构成一道完整的化学试题。
二、 无机工业流程题的特点
1.情境创设真实
通过创设真实情境,充分体现了新课程所倡导的“让学生用已有的知识解决真实情景中的化学问题”的理念;同时,利用工业副产品为原料,体现了绿色化学的理念。与纯粹的物质转变关系相比,无机化工题无疑更加具有化学味,更能体现新课程的要求。
2.框图信息新颖
从反应原料到目标产品用框图和箭头联系在一起,以化工生产为背景,减少了“题海战术”猜题的偶然性,使绝大多数考生站在同一起跑线上,增加了考试的公平性。框图中的物质都是已知的,而且连物质的状态都标明了,使学生少走弯路,很容易进入题目所创设的情境,能够较好地反映出学生所具有的化学科学素养。
3.问题设计广泛
紧扣工业生产实际,所设计的问题几乎可遍布化学模块的各个领域,主要涉及常见的无机物及其应用、化学基本理论、化学实验、物质结构和流程设计评价等,设问上有选择、填空、简答,极具挑战性和创新性,提升了对学生的能力要求。
三、 无机工业流程题的分类
从主要化工工艺来分可以分为基础化工工艺题和精细化工工艺题。以生产过程中主要工序可分为
除杂提纯工艺流程题(如海水纯化工艺流程题)、
原材料化学转化工艺流程题、
电解工艺流程题、
有机合成题和资源能源综合利用工艺生产流程题
按资源的不同,可将工艺流程题分为
利用空气资源生产的工艺流程题(如合成氨工艺流程题)、
利用水资源生产的工艺流程题(如海水制盐、氯碱工业、海水提溴碘、海水提镁等)、
利用矿产资源生产的工艺流程题(工业制硫酸、冶铁炼钢等)、
利用化石燃料生产的工艺流程题(如有机合成工艺题)。
四、 工业流程题的解题策略
1.快速浏览,明确实验目的,拿到基本分值
首先要仔细审读提炼出有效信息,分清每一个环节(包括反应和操作)的目的和结果,这样才能判断出最终所要达到的目的。
(1)关注箭头号
图1箭头表示的是反应物同时加入,图2表示反应物分步加入,图3表示循环反应。
(2)注意框内所指
弄清每个方框内的物质成分或操作名称,向方框内加入某种试剂后在一定操作指引下在隐含的仪器或设备中,会发生哪些反应?生成物是什么?
(3)提练信息
从题中所给陌生的文字材料中提炼出物质的性质、用途等信息。有些信息可能在问题中根本没涉及,有些信息则可借以结合问题帮助理解或者直接答题。对不懂的信息或问题要大胆跳过。
2.对点思维,领会要点
工业生产流程的设计和实验室方案设计原理相似,只是对经济性、环保性等许多细节方面有着更高的要求,解题时应在实验原理的基础上结合实际因素,充分读懂工业生产流程每一步的意义。
(1)读懂化工生产流程主线的含义
原料一核心化学反应一所需产品,必须要掌握物质间的反应、产物分离提纯、除杂试剂的选择以及反应条件的控制等。了解流程图以外的文字描述、表格信息、后续设问中的提示性信息,并在下一步分析和解题中随时进行联系和调用:解析流程图并思考:从原料到产品依次进行了什么反应?利用了什么原理(氧化还原?溶解度?溶液中的电荷守恒 ?)。每一步操作进行到什么程度最佳?每一步除目标物质外还产生了什么杂质或副产物?这些物质又是怎样分离、提纯和循环利用的?如何体现“绿色化学”的思想。
(2)注重与实际相联系
工业生产中流程比较复杂,一般的选择原则是:工艺简单、生产效率高、污染小、能耗低。有的同学不太明确这些。导致回答不完整甚至完全错误。因此在备考复习时,要注意联系生产实际中的各类反应原理,多选择与生活生产实际相联系(如海水中提溴、海带中提碘、金属的冶炼、物质成分的测定等)涉及面广的习题,以提升学生分析问题、解决问题的能力。培养他们灵活应用知识的能力
3.规范答题
在答题过程中应当严格按照题目要求规范答题,落笔之前,应看清要求,书写注意规范严谨:
①填“化学方程式”还是“离子方程式”
②填“名称”、“符号”还是“代号”、“序号”等
③填“大于”还是“>”;“增大”还是“变大”等
④填“化学式”还是“名称”等
⑤书写化学方程式时要注意配平、注明反应条件以及
“→”、“=”、“→”、“↑”、“↓”等
⑥书写热化学方程式时要注意:
(1) 物质状态
(2) “ ”“-”号
(3) “反应条件”
⑦所填数值的单位、所填计算式中的数值的单位
⑧一些容易写错的化学名词或术语中的字:
“氨”和“铵”、“溶”和“熔”、“溢”和“逸”、“汽化、水浴、坩埚、蒸发、分馏、过滤、蓝、褪、褐” 等。
4.必备知识
(1)熟练掌握元素化合物的性质
首先抓住物质类别的通性和具体物质的特性,其次分析物质所含元素化合价的可变性(即物质的氧化性和还原性),判断哪些物质之间能发生反应,生成物是什么。
(2)控制反应条件的方法
蒸发、反应时的气体氛围;控制溶液的酸碱度使某些金属离子形成氢氧化物沉淀(大部分利用水解原理)。如Fe3 、Al、Mg2 的混合物分离,通常采用调节溶液的pH除去杂质达到提纯目的。在这过程中要选择合适的试剂,不要引入新杂质。
(3)明确结晶的几种方法
工业生产中,往往是从多种溶质或一种溶质的溶液中提取目标固体产物。需要用到结晶工艺。当溶液是单一溶质时:最后所得晶体不带结晶水(如NaCl、KN03);蒸发浓缩(至有晶膜出现)、冷却结晶、过滤,最后所得晶体带结晶水(如CuS04·5H20)。当溶液中有两种或以上溶质时,经浓缩蒸发。其中溶解度最小、受温度影响最大的溶质,被趁热过滤成滤渣。而滤液中溶解度最小的溶质是饱和溶液。然后冷却结晶,过滤,得另一溶质(溶解度最大、受温度影响最大的溶质)。
(4)熟悉化工生产中的一些基本实验操作
水洗:通常是为了除去水溶性的杂质。
酸洗:通常指清洁金属表面的一种方法。是电镀、搪瓷、轧制等工艺的前处理或中间处理步骤。即将制件浸入硫酸等酸的水溶液,以除去金属表面的氧化物等薄膜。
热滤:化学实验固液分离的一种操作。与“趁热过滤”有一定的区别。趁热过滤指将温度较高的固液混合物直接使用常规过滤操作进行过滤;热过滤指使用区别于常规过滤的仪器、保持固液混合物温度在一定范围内的过滤过程。
抽滤:利用抽气泵使抽滤瓶中的压强降低,达到固液分离的目的
5.(5)了解化工生产中渗透绿色化学的观点
①节省资源,提高原料转化率。例如。在合成氨工业、硝酸工业、接触法制硫酸、联合制碱法等工艺流程中采取的循环操作,体现了绿色化学中资源最大利用率的基本原理。
②介绍尾气回收方法和处理装置以防止或减少环境污染。例如,氨氧化法制硝酸、接触法制硫酸、炼钢、炼铁等均介绍了尾气处理或吸收的装置。
③设计新的化学反应途径及条件,降低对人类健康和环境的危害,减少废弃物的产生和排放。
(6)熟悉化工生产中的一些常用工艺流程
中学试题中常涉及到的化学工业:①侯氏制碱法;②氯碱工业;③硅酸盐工业;④工业制硫酸;⑤合成氨工业;⑥工业制硝酸;⑦金属Na、Mg、Al、Fe、cu等的冶炼;⑧海水中提取物质;
五、 工业流程题的解题方法
1.首尾分析法
对一些线型流程工艺(从原料到产品为一条龙的生产工序)试题,首先对比分析流程图中第一种物质(原材料)与最后一种物质(产品),从对比分析中找出原料与产品之间的关系,弄清生产过程中原料转化为产品的基本原理和除杂、分离、提纯产品的化工工艺,然后再结合题设的问题,逐一推敲解答。
例1、 聚合氯化铝是一种新型、高效絮凝剂和净水剂,其单体是液态的碱式氯化铝[Al2(OH)nCl6-n]。该实验采用铝盐溶液水解絮凝法制碱式氯化铝。其制备原料为分布广、价格廉的高岭土,化学组成为:Al2O3(25 %~34 %)、SiO2(40 %~50 %)、 Fe2O3(0.5 %~3.0 %)以及少量杂质和水分。已知氧化铝有多种结构,化学性质也有差异,且一定条件下可相互转化;高岭土中的氧化铝难溶于酸。制备碱式氯化铝的实验流程如下:
根据流程图回答下列问题:
(1)“煅烧”的目的是________________。
(2)配制质量分数15 %的盐酸需要200 mL 30 %的浓盐酸(密度约为1.15 g/cm3)和____g蒸馏水,配制用到的仪器有烧杯、玻璃棒、______。
(3)“溶解”过程中发生反应的化学方程式为_____________。
(4)加少量铝粉的主要作用是_________。
(5)“调节溶液pH在4.2~4.5”的过程中,除添加必要时试剂,还需借助的实验用品是_________;“蒸发浓缩”需保持温度在90~100 ℃,控制温度的实验方法是______。
解析:对比原料与产品可知,该生产的主要工序:一是除去原料高岭土中的杂质,二是将Al2O3难溶于酸,必须经过煅烧以改变其结构。该题经这样分析,题设的所有问题的答案便在分析之中。
【答案】(1)改变高岭土中氧化铝的结构,使其能溶于酸。 (2)Al2O3 6HCl=2AlCl3 3H2O Fe2O3 6HCl =2FeCl3 3H2O (3)除去溶液中的铁离子 (4)pH计 水浴加热
[点评]首尾分析法是一种解读工艺流程题的常见方法,该法特点:简单、直观,容易抓住解题的关键,用起来方便有效。使用这一方法解题,关键在于认真对比分析原材料与产品的组成,从中产生将原料转化为产品和除去原材料中所含杂质的基本原理和所用工艺的生产措施。当把生产的主线弄清楚了,围绕这条主线所设计的系列问题,也就可解答了。
2.截段分析法
对于用同样的原材料生产多种(两种或两种以上)产品(包括副产品)的工业流程题,用截段分析法更容易找到解题的切入点。
例2、以氯化钠和硫酸铵为原料制备氯化铵及副产品硫酸钠,工艺流程如下:
氯化铵和硫酸钠的溶解度随温度变化如图所示。回答下列问题: